Tema 38

Este tema recorre el camino que une los dos extremos del conocimiento físico: los constituyentes últimos de la materia —las partículas elementales— y la estructura y evolución del universo en su conjunto. Aunque parezcan campos opuestos, la física de partículas y la cosmología son hoy dos caras de la misma moneda: para entender el cosmos en sus primeros instantes hay que conocer las partículas que lo formaron, y los grandes aceleradores reproducen a pequeña escala las energías del universo primitivo. Se trata, por tanto, de un tema de síntesis y de gran valor cultural y formativo, que cierra el bloque dedicado a la física moderna y a la estructura de la materia.

Conviene advertir que se trata de un ámbito en construcción permanente: el modelo estándar de partículas es una de las teorías mejor verificadas de la ciencia, pero deja preguntas abiertas (materia oscura, energía oscura, masa de los neutrinos, gravedad cuántica). Presentaremos, pues, un estado del conocimiento riguroso pero honesto sobre sus límites, siguiendo el hilo que va del microcosmos al macrocosmos y desemboca en las teorías sobre el origen del universo.

1. Partículas elementales

Una partícula elemental es aquella que, con los medios experimentales actuales, no muestra estructura interna: se comporta como puntual y no está compuesta por otras más simples. El concepto ha cambiado radicalmente con la historia. Durante el siglo XIX el átomo se consideró indivisible; el descubrimiento del electrón por J. J. Thomson (1897), del núcleo por Rutherford (1911) y del protón y el neutrón (Chadwick, 1932) mostró que el átomo tenía estructura. A mediados del siglo XX, la proliferación de partículas detectadas en los rayos cósmicos y los aceleradores (el llamado “zoo de partículas”) llevó a buscar un nivel más profundo de simplicidad.

Clasificación de las partículas

Las partículas se clasifican según dos criterios básicos. Por su espín (momento angular intrínseco) se dividen en:

• Fermiones (espín semientero, $\tfrac{1}{2}\hbar$): constituyen la materia y obedecen el principio de exclusión de Pauli.
• Bosones (espín entero, $0$, $\hbar$, …): son los mediadores de las interacciones y no están sujetos a la exclusión.

Por su participación en la interacción fuerte se distinguen:

• Hadrones: sienten la interacción fuerte porque están formados por quarks. Se subdividen en bariones (tres quarks; p. ej., protón y neutrón) y mesones (un quark y un antiquark; p. ej., piones y kaones).
• Leptones: no sienten la interacción fuerte (electrón, muon, tau y sus neutrinos).

Antimateria

A cada partícula le corresponde una antipartícula de igual masa y espín pero carga y números cuánticos internos opuestos. Su existencia fue predicha por Dirac (1928) al combinar mecánica cuántica y relatividad, y confirmada con el descubrimiento del positrón ($\mathrm{e}^{+}$) por Anderson (1932). Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran se aniquilan, transformando su masa íntegramente en energía según la relación de Einstein:

Esta equivalencia masa-energía es la clave de la física de partículas: las masas se expresan en unidades de energía divididas por $c^{2}$ (por ejemplo, $\mathrm{MeV}/c^{2}$ o $\mathrm{GeV}/c^{2}$), y en los aceleradores la energía cinética se convierte en partículas nuevas.

2. Estado actual de su estudio: el modelo estándar

El marco teórico vigente es el modelo estándar de la física de partículas, desarrollado entre 1960 y 1975 y confirmado experimentalmente con enorme precisión. Describe todas las partículas elementales conocidas y tres de las cuatro interacciones fundamentales (todas menos la gravitatoria).

Fermiones fundamentales

Los constituyentes de la materia son doce fermiones, organizados en tres generaciones de creciente masa. La materia ordinaria se compone solo de la primera.

• Seis quarks: up ($u$), down ($d$), charm ($c$), strange ($s$), top ($t$) y bottom ($b$). Tienen carga eléctrica fraccionaria: los de tipo up valen $q = +\tfrac{2}{3}e$ y los de tipo down, $q = -\tfrac{1}{3}e$. Además poseen carga de color (roja, verde o azul), la propiedad asociada a la interacción fuerte.
• Seis leptones: el electrón ($\mathrm{e}^{-}$), el muon ($\mu^{-}$) y el tau ($\tau^{-}$), de carga $-e$, junto con sus tres neutrinos ($\nu_e$, $\nu_\mu$, $\nu_\tau$), neutros y de masa muy pequeña.

Un rasgo esencial es el confinamiento del color: los quarks nunca se observan libres, sino siempre agrupados en hadrones de color neutro. Por eso decimos que el protón “contiene” quarks pero no podemos aislarlos.

Bosones mediadores

Las interacciones se transmiten por el intercambio de bosones gauge (espín 1):

• El fotón ($\gamma$), sin masa, media la interacción electromagnética.
• Los bosones $W^{+}$, $W^{-}$ y $Z^{0}$, muy masivos, median la interacción débil.
• Los ocho gluones ($g$) median la interacción fuerte entre quarks.

El bosón de Higgs

En 2012, los experimentos ATLAS y CMS del LHC (Gran Colisionador de Hadrones, CERN) confirmaron el bosón de Higgs, de masa $\approx 125\ \mathrm{GeV}/c^{2}$ y espín 0. Es la manifestación del campo de Higgs, que mediante el llamado mecanismo de ruptura espontánea de la simetría dota de masa a las partículas elementales. Su predicción teórica data de 1964 (Higgs, Englert y otros); su hallazgo completó experimentalmente el modelo estándar.

Fronteras abiertas

Pese a su éxito, el modelo estándar es incompleto:

• No incluye la gravedad ni el hipotético gravitón; unificar gravedad y cuántica es el gran problema pendiente (teorías de cuerdas, gravedad cuántica).
• La masa de los neutrinos. Las oscilaciones de neutrinos (Nobel 2015, Kajita y McDonald) demuestran que tienen masa, algo no previsto en la versión original.
• Materia oscura y energía oscura, que dominan el contenido del universo (§4), no encajan entre las partículas conocidas.

La investigación actual busca “física más allá del modelo estándar” en colisionadores de alta energía, detectores subterráneos de materia oscura y observatorios de neutrinos y de ondas gravitacionales.

3. Partículas fundamentales constitutivas del átomo

El átomo, aunque no elemental, es la unidad estructural de la materia ordinaria. Está formado por tres partículas clásicas, cuyas propiedades conviene fijar:

El electrón es una partícula verdaderamente elemental. En cambio, protón y neutrón son bariones compuestos por tres quarks de la primera generación. Su carga resulta de sumar las de sus quarks:

La cohesión del núcleo se explica por la interacción fuerte: los gluones ligan los quarks dentro de cada nucleón, y una “fuerza nuclear fuerte residual” (mediada por mesones) mantiene unidos protones y neutrones venciendo la repulsión electrostática. La conversión de un neutrón en protón ilustra la interacción débil en la desintegración beta, que a nivel de quarks es una transformación $d \rightarrow u$:

La masa del protón es unas $1836$ veces la del electrón, de modo que casi toda la masa del átomo reside en el núcleo, mientras que su tamaño lo determina la corteza electrónica.

Las cuatro interacciones fundamentales

Toda la fenomenología física se reduce a cuatro interacciones, cuyas intensidades relativas (tomando la fuerte como unidad) abarcan casi cuarenta órdenes de magnitud:

La interacción fuerte cohesiona el núcleo; la electromagnética liga los electrones al núcleo y explica el enlace químico; la débil rige ciertas desintegraciones radiactivas; y la gravitatoria, despreciable a escala atómica, domina el macrocosmos por ser siempre atractiva y de alcance infinito.

4. Del microcosmos al macrocosmos

El estudio de la materia abarca una escala descomunal de tamaños. Para probar estructuras pequeñas hace falta gran energía, según la relación de de Broglie, que asocia una longitud de onda a toda partícula:

Cuanto menor es la escala que se quiere resolver, mayor debe ser el momento lineal $p$: por eso los aceleradores son cada vez más potentes. En el otro extremo, la mínima longitud con sentido físico es la longitud de Planck, donde gravedad y cuántica confluyen:

Recorriendo la escala de lo pequeño a lo grande encontramos órdenes de magnitud característicos:

En el dominio astronómico las distancias se miden en años luz ($1\ \mathrm{a.l.} = 9{,}46\times10^{15}\ \mathrm{m}$) o pársecs ($1\ \mathrm{pc} = 3{,}09\times10^{16}\ \mathrm{m}$). El radio del universo observable es de unos $4{,}6\times10^{10}$ años luz.

La conexión profunda entre ambos extremos es que las propiedades del cosmos a gran escala dependen de la física de partículas: la abundancia de elementos, la existencia de estrellas o la propia asimetría entre materia y antimateria (que explica que exista materia en absoluto) se deciden en el terreno de lo subatómico. La física del microcosmos es, literalmente, la que ha hecho posible el macrocosmos.

5. Teorías sobre la formación y evolución del universo

La cosmología moderna sostiene que el universo tuvo un origen y evoluciona en el tiempo. La evidencia observacional se apoya en tres pilares.

El corrimiento al rojo y la expansión (Hubble)

En 1929 Edwin Hubble observó que las galaxias se alejan de nosotros con una velocidad proporcional a su distancia (ley de Hubble):

donde $H_0 \approx 70\ \mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ es la constante de Hubble. La expansión no es un movimiento dentro del espacio, sino una dilatación del propio espacio: no hay un centro. Al extrapolar hacia atrás, todo el universo estuvo concentrado en un estado inicial denso y caliente.

El modelo del Big Bang

La teoría del Big Bang (“gran explosión”, término acuñado con ironía por Hoyle) tiene su origen en el “átomo primigenio” propuesto por el sacerdote y físico Georges Lemaître (1927) y en los trabajos de Gamow sobre la síntesis de elementos. Según este modelo, el universo comenzó hace unos $13{,}8\times10^{9}$ años y ha ido expandiéndose y enfriándose. Una cronología esquemática:

• Era de Planck ($t < 10^{-43}\ \mathrm{s}$): las cuatro interacciones estarían unificadas; se requiere una teoría de gravedad cuántica aún inexistente.
• Inflación cósmica ($\sim 10^{-36}\ \mathrm{s}$): expansión exponencial propuesta por Guth que explica la homogeneidad y planitud observadas.
• Plasma de quarks y gluones y formación de protones y neutrones ($\sim 10^{-6}\ \mathrm{s}$).
• Nucleosíntesis primordial (primeros $\sim 3$ minutos): se forman los núcleos ligeros, dando aproximadamente un 75 % de hidrógeno y un 25 % de helio en masa, más trazas de litio.
• Recombinación ($\sim 380\,000$ años): al enfriarse, los electrones se unen a los núcleos formando átomos neutros; el universo se vuelve transparente y se libera la radiación que hoy observamos como fondo cósmico.
• Formación de estrellas y galaxias (a partir de $\sim 10^{8}$ años): la fusión estelar sintetiza los elementos pesados. La fusión del hidrógeno en el Sol resume el proceso:

La radiación de fondo de microondas

El descubrimiento accidental por Penzias y Wilson (1965) de la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB), un resplandor térmico casi uniforme a $T \approx 2{,}73\ \mathrm{K}$, es la “huella” de la recombinación y la prueba observacional más fuerte del Big Bang, prevista teóricamente por Gamow. Sus minúsculas fluctuaciones (satélites COBE, WMAP y Planck) son la semilla de las galaxias.

Composición y destino: materia y energía oscuras

Las observaciones (rotación de galaxias, lentes gravitacionales, supernovas Ia) revelan que la materia ordinaria es solo una pequeña fracción del contenido cósmico:

• Materia ordinaria (bariónica): $\approx 5\ \%$.
• Materia oscura: $\approx 27\ \%$, de naturaleza desconocida, detectada por su efecto gravitatorio.
• Energía oscura: $\approx 68\ \%$, responsable de que la expansión se acelere (descubrimiento de 1998 con supernovas lejanas; Nobel 2011). Se asocia a la constante cosmológica $\Lambda$ del modelo estándar cosmológico ($\Lambda$CDM).

El destino del universo depende de esta composición: con la energía oscura dominante, lo más probable es una expansión acelerada indefinida. Estas conclusiones son provisionales y objeto de investigación intensa.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), los contenidos de este tema se distribuyen a lo largo de la etapa. La estructura del átomo y sus partículas constituyentes forma parte del saber básico de Física y Química en 2.º–3.º de ESO (modelos atómicos) y se profundiza en 4.º de ESO. El origen y la evolución del universo aparece de forma introductoria en 2.º de ESO (Biología y Geología / el Universo) y se retoma con más rigor en Física de 2.º de Bachillerato, dentro de la física moderna (relatividad, física cuántica y física de partículas). Es un tema óptimo para trabajar la competencia STEM y la competencia en pensamiento científico y ciudadanía, por su dimensión histórica, tecnológica (CERN, telescopios) y cultural.

Metodológicamente conviene plantear situaciones de aprendizaje basadas en la observación (espectros, imágenes del telescopio espacial), en el uso de simulaciones y en el debate sobre los límites del conocimiento. Deben anticiparse ideas previas y errores frecuentes habituales:

• Creer que el átomo es indivisible o representar el núcleo como una esfera maciza.
• Interpretar el modelo atómico como un sistema planetario rígido, ignorando el carácter cuántico y probabilístico de la corteza.
• Entender el Big Bang como una explosión en un punto del espacio, en lugar de como una expansión del propio espacio sin centro.
• Confundir materia oscura con “vacío” o “nada”, cuando es materia con efecto gravitatorio.
• Pensar que los quarks pueden aislarse (contradice el confinamiento) o que la antimateria es solo ciencia ficción.

El tratamiento debe ser honesto sobre la incertidumbre científica: presentar el modelo estándar y el Big Bang como las mejores teorías disponibles, contrastadas pero abiertas, es en sí mismo una lección sobre la naturaleza de la ciencia.

Conclusión

El tema traza un arco completo desde los constituyentes últimos de la materia hasta la estructura global del cosmos. Las partículas elementales —quarks, leptones y bosones mediadores— y el modelo estándar ofrecen una descripción unificada y extraordinariamente precisa de tres de las cuatro interacciones fundamentales, aunque con fronteras abiertas (gravedad cuántica, masa de los neutrinos, materia y energía oscuras). Esas mismas partículas, organizadas en protones, neutrones y electrones, construyen el átomo y, con él, toda la química. Al ampliar la escala del microcosmos al macrocosmos, comprobamos que la física de lo más pequeño determina la del universo entero, cuya formación y evolución describe el modelo del Big Bang, sostenido por la expansión de Hubble, la nucleosíntesis primordial y la radiación de fondo. Se trata de un contenido de síntesis, de gran potencia formativa, que muestra a la vez el poder explicativo de la física y la humildad de una ciencia consciente de sus propios límites.